自動(dòng)剝線機(jī)控制面板設(shè)計(jì)

梁俊英　黃秉鍊　羅曉曙　陳　赤　劉　建　廖志賢　陳冬連

摘 要：操作簡(jiǎn)單，界面友好的控制面板，使人們操作設(shè)備的工作變得容易、方便。應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，結(jié)合優(yōu)化編程技術(shù)知識(shí)，分析討論ATmega32單片機(jī)與矩陣按鍵電路、SSC2AC40液晶屏、PLC通信的硬件接口電路和軟件編程方法以及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)，完成控制面板設(shè)計(jì)與制作。測(cè)試證明，該控制面板在樣機(jī)使用中運(yùn)行良好已取得了明顯的應(yīng)用成效，可應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備操作平臺(tái)、工業(yè)顯示系統(tǒng)和數(shù)字式儀表等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：控制面板；ATmega32；SSC2AC40；PLC

中圖分類號(hào)：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004－373X(2009)04－062－03

Design of Automatic Wire－stripping Control Panel

LIANG Junying,HUANG Binglian,LUO Xiaoshu,CHEN Chi,LIU Jian,LIAO Zhixian,CHEN Donglian

(College of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)

Abstract：Simple operation and friendly interface control panel usually makes people handle the equipment work easier and more convenient.The paper uses the technology of single chip computer and optimized programming,the PLC communications hardware interface circuits and the method of interface software programming as well as the corresponding technical details of the matrix button and ATmega32 circuit are analysed and discussed,and control panel design and production are completed.Testing shows that the control panel is well－functioning in the prototype,and has made obvious effectiveness in application.It can be used in industrial equipment,operating platforms,industrial display systems and digital instrumentation,and other fields.

Keywords：control panel;ATmega32;SSC2AC40;PLC

自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)以可編程控制器PLC為控制系統(tǒng)，其控制面板主要由矩陣鍵盤、ATmega32單片機(jī)、SSC2AC40液晶屏等組成。控制面板實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備相關(guān)規(guī)格數(shù)據(jù)設(shè)定，使設(shè)備按照人工干預(yù)信息完成工作任務(wù)，顯示模塊顯示相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。單片機(jī)以其低成本、使用靈活、高性能的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備，而液晶顯示屏更以其顯示直觀、便于操作的特點(diǎn)被應(yīng)用于顯示前端。

1 控制面板硬件電路設(shè)計(jì)

圖1為控制面板硬件電路圖。單片機(jī)ATmega32識(shí)別每個(gè)鍵動(dòng)作，將矩陣按鍵的每個(gè)鍵動(dòng)作編成碼(0x01～0x90)，并將編碼信息輸給PLC。由于編碼信息為0 V，5 V，而PLC能識(shí)別的電平信號(hào)為0 V，24 V，所以用OC門7407芯片將編碼信息(0 V，5 V)轉(zhuǎn)換為PLC能識(shí)別的信號(hào)(0 V，24 V)，PLC讀取編碼信息，執(zhí)行剝皮、扭線、裁線等相關(guān)動(dòng)作，并將自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)工作狀態(tài)信息(0000～1111，每個(gè)編碼對(duì)應(yīng)一種工作狀態(tài)信息)上傳到ATmega32。根據(jù)PLC輸出口內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如圖2所示［1］，PLC輸出口是集電極開路電路，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出，否則 ATmega32無(wú)法檢測(cè)到PLC輸出口信息(高、低電平)的變化情況。SSC2AC40液晶在ATmega32控制下顯示編碼控制電路上的人工干預(yù)信息、錯(cuò)誤提示信息、自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)工作狀態(tài)信息等，完成人機(jī)交互工作。

1.1 ATmega32單片機(jī)

ATmega32是基于增強(qiáng)型AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，以Atmel公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生成,支持片內(nèi)調(diào)試與編程,內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有寄存器都直接與運(yùn)算邏輯單元(ALU)相連接，1條指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)2個(gè)獨(dú)立的寄存器，因此大大提高了指令操作碼效率，其數(shù)據(jù)吞吐率大約是普通CISC微控制器的10倍。8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的FLASH集成在1個(gè)芯片內(nèi)，使得ATmega32成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案［3］。

作為通用數(shù)字I/O 使用時(shí)，所有AVR I/O 端口都具有真正的讀－修改－寫功能。每個(gè)端口都有3個(gè)I/O存儲(chǔ)器地址(數(shù)據(jù)寄存器PORTx、 數(shù)據(jù)方向寄存器DDRx 和端口輸入引腳PINx)［4］。PA口定義為輸出，DDRA=0xff，將指令信息、錯(cuò)誤提示信息、自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)工作狀態(tài)信息等輸送到SSC2AC40液晶顯示屏數(shù)據(jù)口DB0~DB7，PB口定義為輸入，DDRB=0x00，讀取矩陣鍵盤動(dòng)態(tài)信息。 PC口高3位設(shè)為輸出，分別接SSC2AC40液晶顯示屏的RS，R/W，E，輸出正確的時(shí)序，使液晶屏有效顯示相關(guān)信息。

#define Lcdssc2a40_RS OC5

#define Lcdssc2a40_RW OC6

#define Lcdssc2a40_E OC7

#define Lcdssc2a40_RS_R RC5

#define Lcdssc2a40_RW_R RC6

#define Lcdssc2a40_E_R RC7

Lcdssc2a40_RS_R=1;/*PC5設(shè)為輸出*/

Lcdssc2a40_RW_R=1;/*PC6設(shè)為輸出*/

Lcdssc2a40_E_R=1;/*PC7設(shè)為輸出*/

PD口的PD0～PD2設(shè)為輸入，DDRD=DDRD&0x07，接收PLC上傳的自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)工作狀態(tài)信息等。PD口的PD3～PD6設(shè)為輸出，DDRD=DDRD&0x78，將矩陣鍵盤編碼信息發(fā)送給PLC。

掉電后有關(guān)數(shù)據(jù)信息保存在ATmega32內(nèi)部的1 024 B E2PROM，下次再工作時(shí)，無(wú)需再另行輸入，直接調(diào)出原來(lái)的數(shù)據(jù)即可，大大節(jié)省調(diào)機(jī)時(shí)間。ATmega32內(nèi)部的1 024 B E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間，可以按字節(jié)讀寫，訪問(wèn)由地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器決定，至少能擦除100 000次［4］。

avr－libc 對(duì)E2PROM 存儲(chǔ)器讀寫API 定義在eeprom.h中［5］，包含形式如下：

#include

例如要保存前端剝皮設(shè)定好的參數(shù)q1：

eeprom_busy_wait();/*等待E2PROM 讀寫就緒*/

eeprom_write_byte(0,q1);/*將q1寫入到E2PORM 0地址處*/

開機(jī)后，讀出關(guān)機(jī)前前端設(shè)定好的“剝皮”參數(shù)q1：

eeprom_busy_wait();

q1=eeprom_read_byte(0);/*從E2PROM 0 地址處讀取1個(gè)字節(jié)賦給RAM 變量q1*/

這樣就可以實(shí)現(xiàn)掉電后設(shè)定好的相關(guān)參數(shù)得以保存，開機(jī)后顯示關(guān)機(jī)前設(shè)定的參數(shù)。

1.2 SSC2AC40液晶顯示器

SSC2AC40是40×2字符點(diǎn)陣式液晶顯示器，邏輯工作電壓4.5～5.5 V，驅(qū)動(dòng)電壓3.0～5.0 V，工作電流(背光除外)2.5 mA，常溫下工作溫度0～50 ℃/寬溫下工作溫度-20～+70 ℃，典型的16腳接口、帶有LED邊光/底光，溫度范圍較廣，屬寬溫型，具有工作電壓低，微功耗，顯示信息量大和接口方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制面板顯示和數(shù)字式儀表等領(lǐng)域，成為測(cè)試結(jié)果顯示和人機(jī)交互的重要工具［11］。

SSC2AC40數(shù)據(jù)口DB0~DB7接ATmega32的PA口，并行接收ATmega32發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，RS，R/W，E分別接ATmega32的PC５～PC7，得到正確的時(shí)序，實(shí)時(shí)顯示有效信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 軟件設(shè)計(jì)

圖3為控制面板程序流程圖。開機(jī)后顯示上一次關(guān)機(jī)前的信息，ATmega32讀取矩陣鍵盤，判斷鍵動(dòng)作信息，執(zhí)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定；設(shè)定無(wú)誤，按開始鍵，剝線機(jī)執(zhí)行進(jìn)行剝皮、扭線、裁線等工作；工作過(guò)程中PLC將信息上傳給ATmega32 ，通過(guò)SSC2AC40顯示。

編程語(yǔ)言以C為主，利用系統(tǒng)體積小，簡(jiǎn)單易學(xué)，語(yǔ)法著色，多文檔，錯(cuò)誤跟蹤好，界面友好的GCC的AVR C/C++編譯器和廣州天河雙龍電子有限公司的下載器SLISP作為開發(fā)工具，進(jìn)行代碼生成、軟件測(cè)試和維護(hù)，開發(fā)一個(gè)操作方便、簡(jiǎn)單易用、穩(wěn)定可靠且易于修改擴(kuò)充的軟件系統(tǒng)。經(jīng)反復(fù)調(diào)試優(yōu)化，程序在樣機(jī)的使用中運(yùn)行良好，顯示穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)要求。程序稍作修改便可移植到其他類型的單片機(jī)，有利于產(chǎn)品硬件更換，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

3 調(diào) 試

(1) ATmega32 JTAG 接口的TMS，TCK，TDO，TDI分別對(duì)應(yīng)PC口的PC3～PC5；而在該

設(shè)計(jì)中沒(méi)有用到JTAG 接口，所以配置熔絲時(shí)要禁止使用JTAG 接口功能，以免JTAG 接口的TMS，TCK，TDO，TDI與PC3～PC5沖突。

(2) 由于使用機(jī)械開關(guān)按鍵，在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)。為保證對(duì)鍵動(dòng)作的準(zhǔn)確識(shí)別，采用軟件延時(shí)緩沖按鍵動(dòng)作時(shí)的抖動(dòng)，待信號(hào)穩(wěn)定后再進(jìn)行鍵掃描，延遲時(shí)間大于10～20 ms即可［6］。

(3) 液晶顯示屏置于控制面板上，工作環(huán)境的電磁干擾對(duì)顯示屏的工作有一定的影響，故該系統(tǒng)采取的主要抗干擾措施如下：設(shè)計(jì)LCD模塊的接口時(shí)，在VSS和VDD之間接入0.1 μF的去耦電容，并接入10 μF或20 μF的電源濾波電容，提高電源輸入的穩(wěn)定性。LCD模塊的工作電流僅為幾毫安，但其背光部分所需要的電流遠(yuǎn)大于其工作電流，因此需將工作電源和背光電源分別布線［12］。 為避免其他可能的干擾源對(duì)液晶顯示過(guò)程的影響，采用軟件定時(shí)復(fù)位液晶屏，屏蔽異常顯示［12］。

(4) 在編碼信息與PLC之間的電平轉(zhuǎn)換電路中，PLC的電源與7407輸出端的上拉電源一定要共負(fù)極。否則由于參考電壓不同，PLC輸入端獲取的電平不正常，無(wú)法有效識(shí)別編碼信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

該文研制的控制面板電路簡(jiǎn)潔實(shí)用，編程靈活，成本低，抗干擾能力強(qiáng)，性能可靠，在反復(fù)測(cè)試中矩陣鍵盤工作正常；液晶屏有效屏蔽干擾源，顯示穩(wěn)定可靠，完成人機(jī)交互工作，適合用戶需求，具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)其他工業(yè)設(shè)備操作面板的研制有一定的參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

梁俊英 男，1981年出生，廣西武鳴人，碩士研究生。研究方向?yàn)槲C(jī)控制與檢測(cè)技術(shù)等。

黃秉鍊 男，1942年出生，廣東梅州人，教授。研究方向?yàn)槲C(jī)控制與檢測(cè)技術(shù)等。

羅曉曙 男，1961年出生，湖北應(yīng)城人，教授。主要研究方向?yàn)榉蔷€性系統(tǒng)的穩(wěn)定控制與同步。

陳 赤 男，1957年出生，廣西陸川人，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化控制。